一种面向低温环境的储能电池热管理方法及系统与流程

本发明涉及储能电池热管理，特别是涉及一种面向低温环境的储能电池热管理方法及系统。

背景技术：

1、储能系统热管理是保障电化学储能系统安全、高效、长寿命运行的关键技术，其主要功能是通过散热、加热与温度均衡控制，使电池工作在适宜温度区间（最佳运行温度约为10至35摄氏度），防止热失控风险并优化性能。储能电池的热管理性能已成为保障其安全性、寿命与效率的关键因素。

2、现有技术已经提出了若干管理系统，例如公开号为cn120767468a，公开日为2025年10月10日，专利名称为储能直冷温控系统的中国发明专利文件；又例如，公开号为cn119742503a，公开日为2025年04月01日，专利名称为一种直冷热管理系统、储能集装箱及控制方法的中国发明专利文件。

3、以上述专利文件为代表的现有技术，都缺乏针对低温工况、极低温工况的冷启动策略。对于大热惯量的储能系统，在小于0℃的低温以及小于-20℃的极低温冷启动时，核心矛盾是系统压差无法建立，导致制冷剂无法有效循环，制热能力为零或极弱，并且系统越复杂，冷启动时各部分温度均衡越慢，启动可能更加困难。现有技术方案的控制逻辑是基于系统已正常建立循环压差而设定的，未考虑在低温以及极低温环境下的冷启动困难问题。

4、现有技术中，还提出了公开号为cn116294271a，公开日为2023年06月23日的中国发明专利文件，该专利文献所公开的技术方案如下：一种关于热泵定频喷焓压缩机低温启动排气温度过高的处理方法，主要用于解决定频压缩机在低温启动时排气温度过高的问题。其结构上包含压缩机、四通阀、换热器、经济器以及两条并联的降温管路：一条是经过经济器换热的喷焓管路，另一条是直接进入补气口的喷液管路。其核心原理是通过环境温度和出水温度预判启动负荷，在启动阶段选择开启喷液阀或喷焓阀，并在正式运行阶段根据排气温度在两者之间切换，利用喷液更直接的冷却效果来弥补喷焓降温的滞后性。

5、该发明专利文件中，双支路分阶段控制，将运行状态分为启动和正式运行两个阶段。在启动阶段，根据环境温度和出水温度决定是否开启喷液电子膨胀阀或喷焓电子膨胀阀，其中，根据环境温度和出水温度给出喷焓电子膨胀阀的合理初开度，喷液电子膨胀阀的初开度则为固定步数。启动阶段固定为m分钟，m分钟后，机组进入正式运行阶段。在正式运行阶段，根据当前排气温度或当前处于开启状态的电子膨胀阀的开度，判断是否切换两个电子膨胀阀的开启状态，而后周期性地调整处于开启状态下的电子膨胀阀的开度。

6、上述技术方案在实际使用过程中，无法适配储能电池热管理系统的实际运行需求：该技术方案仅聚焦于解决排气温度过高导致的机组停机问题，未考虑到实际工程应用中，由于多个电池模组冷板串并联作为制冷循环中的蒸发器，导致系统热惯量过大，大负载导致系统高压侧压力长时间无法建立，系统无法达到正常工作压差范围，启动困难的问题。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种面向低温环境的储能电池热管理方法及系统，采用了与现有技术比较类似的硬件架构，通过特定的控制策略，有效解决大容量储能电池作为大热惯量负载时，系统高压侧压力长时间无法建立，导致系统无法进入正常工作压差范围的问题。

2、本发明是通过采用下述技术方案实现的：

3、一种面向低温环境的储能电池热管理方法，包括以下步骤：

4、步骤s1. 在热管理子系统中集成喷气增焓支路，所述支路包括支路节流元件和中间换热器；所述支路节流元件的一端连通热管理子系统中板式换热构件的出口，另一端与中间换热器的低温侧流道连通；所述中间换热器的低温侧流道出口接入热管理子系统中压缩机的补气口，中间换热器的高温侧流道连通热管理子系统的主制冷剂循环回路；

5、步骤s2. 基于实时采集的压缩机的排气压力和吸气压力，判断冷启动阶段压缩机压差是否建立异常；若是，启动开环前馈补气喷射控制：将支路节流元件调节至预设固定节流开度，向压缩机中间腔注入制冷剂，直至满足预设维持时长或补气过热度大于0k；

6、步骤s3. 基于压缩机排气温度的实时检测值，动态调节支路节流元件的节流开度，实现能效优先控制模式与安全优先控制模式之间自适应切换。

7、判断冷启动阶段压缩机压差是否建立异常的方法包括：实时采集压缩机的排气压力和吸气压力，并计算二者的实时压差；若在冷启动阶段，所述实时压差持续不低于预设压差阈值的时长达到预设稳定时间，则判断压缩机存在压差建立异常。

8、所述开环前馈补气喷射控制具体包括：

9、将支路节流元件调节至预设固定节流开度并锁定运行，同时启动计时单元；

10、实时采集压缩机补气口前的补气温度

tinj和补气压力

pinj，基于补气压力

pinj对应的饱和温度

tinj_sat(

pinj)计算补气过热度

shinj：

11、

shinj=

tinj-

tinj_sat(

pinj)；

12、当计时单元的运行时间

tinj超出预设维持时长，或者补气过热度

shinj大于0k，退出开环前馈补气喷射控制。

13、所述预设固定节流开度为阀体总开度的30%~40%。

14、在能效优先控制模式与安全优先控制模式之间还设置有滞环保持区，避免频繁切换。

15、所述步骤s3具体包括：

16、实时监测压缩机的排气温度

tout，由低到高预设三级关键阈值：能效模式上限温度、安全模式触发温度以及保护截止温度；

17、当排气温度

tout小于能效模式上限温度时，执行能效优先控制模式：以补气过热度为被控变量，通过增量式

pid算法调节支路节流元件的节流开度；

18、当排气温度

tout大于安全模式触发温度时，执行安全优先控制模式：以排气温度

tout为被控变量，通过增量式

pid算法调节支路节流元件的节流开度；

19、当排气温度

tout位于能效模式上限温度以及安全模式触发温度之间时，维持上一时刻的控制模式不变，同时判断是否需要进行控制模式切换；

20、当排气温度

tout大于保护截止温度时，触发超温保护动作。

21、以补气过热度为被控变量，通过增量式

pid算法调节支路节流元件的节流开度，具体包括以下步骤：

22、判断实时计算的补气过热度是否低于预设过热度低值，若是，按照预设开度变化量，减小支路节流元件的节流开度，直至补气过热度不低于预设过热度低值；

23、计算补气过热度与目标过热度之间的偏差，并基于偏差与预设死区之间的关系，判断支路节流元件的节流开度的调节方向；

24、根据增量式

pid算法，计算理论开度变化量；

25、对理论开度变化量依次执行单次步数限制和开度上下限制，得到最终开度调节量。

26、以排气温度

tout为被控变量，通过增量式

pid算法调节支路节流元件的节流开度，具体包括以下步骤：

27、计算当前排气温度与目标控制温度之间的偏差，并基于偏差与预设死区之间的关系，判断支路节流元件的节流开度的调节方向；

28、根据增量式

pid算法，计算理论开度变化量，并按照以下优先级顺序执行控制策略：

29、设置防回液熔断保护：实时计算排气过热度

dsh，当排气过热度

dsh小于预设限制值，封锁开度增加指令，直至排气过热度

dsh不小于预设限制值；

30、设置安全约束：判断补气过热度是否小于0，若是，忽略增量式

pid算法的控制指令，按照预设开度变化量，减小支路节流元件的节流开度，直至补气过热度大于等于0；

31、对理论开度变化量执行开度上下限制，得到最终开度调节量；

32、其中，当防回液熔断保护已封锁开度增加指令，且同时检测得到补气过热度小于0，以防回液熔断保护为最高优先级，不再叠加执行所述安全约束中的节流开度减小指令。

33、基于偏差与预设死区之间的关系，判断支路节流元件的节流开度的调节方向，具体指：若偏差大于预设死区的正值，增大支路节流元件的节流开度；若偏差小于预设死区的负值，减小支路节流元件的节流开度；若偏差位于预设死区的正值与负值之间，维持当前支路节流元件的节流开度不变。

34、理论开度变化量的计算方法为：

35、，

36、式中，

kp为比例常数，

ki为积分常数，

kd为微分常数，

e(

t)为当前偏差，

e(

t-1)为上一次采样周期的偏差，

e(

t-2)为上上次采样周期的偏差。

37、所述排气过热度的计算方法为：

38、，

39、式中，

dsh为排气过热度，

tout为排气温度，为根据排气压力

pout对应的饱和温度。

40、判断是否需要进行控制模式切换具体指：若在滞环保持区内，排气温度

tout大于安全模式触发温度时，切换至安全优先控制模式，并重置增量式

pid算法的偏差历史记录；若在滞环保持区内，排气温度

tout小于能效模式上限温度，切换至能效优先控制模式，并重置增量式

pid算法的偏差历史记录；若在滞环保持区内，排气温度

tout位于能效模式上限温度以及安全模式触发温度之间，维持上一时刻的控制模式不变。

41、当执行安全优先控制模式时，解除补气过热度的下限控制，允许补气过热度降至0k以启用湿蒸汽冷却。

42、一种面向低温环境的储能电池热管理系统，包括热管理子系统、喷气增焓支路、传感器组以及控制器；所述热管理子系统包括压缩机、四通换向阀、室外换热器、主路节流元件以及板式换热构件，共同构成主制冷剂循环回路；所述支路包括支路节流元件和中间换热器；所述支路节流元件的一端连通板式换热构件的出口，另一端与中间换热器的低温侧流道连通；所述中间换热器的低温侧流道出口接入压缩机的补气口，中间换热器的高温侧流道连通主制冷剂循环回路；

43、所述喷气增焓支路配置为：在冷启动阶段压缩机压差建立异常时，启动开环前馈补气喷射控制：将支路节流元件调节至预设固定节流开度，向压缩机中间腔注入制冷剂，直至满足预设维持时长或补气过热度大于0k；并在完成开环前馈补气喷射控制后，通过动态调节支路节流元件的节流开度，实现能效优先控制模式与安全优先控制模式之间自适应切换。

44、所述传感器组包括排气温度传感器、排气压力传感器、吸气压力传感器、补气温度传感器以及补气压力传感器。

45、与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：

46、1、5mwh级储能电池系统是一个巨大的“热惯性体”。在小于0℃的低温甚至小于-20℃的极低温冷启动时，电池本身温度极低，导致蒸发压力（低压）和冷凝压力（高压）都难以建立，系统压差过小，制冷剂循环量不足，制热能力微弱，电池升温极其缓慢。本发明针对大负载直冷系统特有的“压力建立慢”痛点，以排气压力和吸气压力的差值为前馈参数，建立冷启动增焓控制流程，即启动开环前馈补气喷射控制，在启动初期主动、强制地建立高压，使热管理系统迅速跳出“低压差死循环”，进入有效工作状态，显著提升了系统在寒冷环境下的响应速度和可用性。

47、进一步的，本发明提出了“基于排温滞环的双模态解耦控制”，实现了控制目标的智能切换，解决高压比工况下“安全”与“性能”的矛盾。在安全温度下追求最高能效（控制补气过热度）；在排气温度危险时，无缝切换至安全优先控制模式（控制排气温度），甚至允许可控的“湿蒸气喷射”来强力降温。既保证了压缩机长期运行安全，又最大限度地挖掘了系统的制热潜力。

48、本发明通过对喷气增焓支路的支路节流元件开度的精密干预，实现对冷启动增焓控制及双模态解耦控制的精密调节，不仅能解决工质（如r410a）在低温甚至极低温工况下因负载热惯量大导致的冷凝压力建立缓慢问题，还能解决高压比运行时的排气温度保护与加热性能之间的矛盾。

49、2、本发明在非极端工况下，系统以能效优先控制模式运行，通过精准控制补气过热度，使喷气增焓技术始终工作在最佳点，提升压缩机的效率（cop）。同时，控制逻辑中设置的滞环保持区，避免了在临界点附近控制模式的频繁振荡，保护电子膨胀阀等执行器，使系统运行更平稳、可靠，延长设备寿命。

50、3、本发明在判断压差建立是否异常时，不仅依据实时压差是否低于预设压差阈值，还进一步综合考量实时压差持续不低于该预设压差阈值的时长，能防止传感器信号波动导致的误触发，显著提升了异常判断的准确性。

51、4、本发明的开环前馈补气喷射控制方法，在冷启动出气压差尚未有效建立时，忽略当前的排气温度或补气过热度参数，即忽略了这些参数的滞后性或不可靠性，立即将支路节流元件的开度调节至预设固定节流开度，并锁定运行。通过前馈式主动干预，在传感器反馈信号尚未稳定或系统处于非稳态工况下，仍能快速建立压力，显著提升低温以及极低温环境下的冷启动成功率。同时，通过双重退出判据，兼顾启动效率与压缩机防液击安全，避免因盲目持续补气导致湿压缩风险。

52、5、本发明中能效优先控制模式执行时，基于增量式

pid算法，计算得到的理论开度变化量，并不会直接执行，而是经过三重过滤，按优先级顺序依次执行，包括：设置安全约束，即确保补气过热度不低于预设过热度低值，确保进入压缩机中间腔的制冷剂为过热蒸汽，防止液态制冷剂进入；再通过单次步数限制，防止冷媒流量突变引起压力振荡；最后通过开度上下限制，确定最终步数在阀门物理范围内。

53、通过上述分层、有序的控制方法，不仅保障了系统在追求高能效运行时的安全便捷，还显著提升了控制过程的平稳性、鲁棒性与可靠性。

54、6、本发明中安全优先控制模式执行时，基于增量式

pid算法，计算得到的理论开度变化量，也会经过三重过滤，按优先级顺序依次执行，包括防回液熔断保护、安全约束以及开度上下限锁定。该控制方法以压缩机安全为最高优先级，在系统处于高风险工况下，也能有效避免湿压缩、液击等严重故障，能显著提升系统运行可靠性与故障容错能力。

55、7、通过本控制方法，本发明允许补气过热度降至0k，说明本发明允许微量气液两相混合物（湿蒸气）进入压缩机中间腔。利用液态制冷剂闪蒸时吸收的显热与潜热，大幅度降低排气温度，防止系统因排气温度过高而触发停机保护。

56、8、本控制系统不仅能解决工质（如r410a）在低温甚至极低温工况下因负载热惯量大导致的冷凝压力建立缓慢问题，还能解决高压比运行时的排气温度保护与加热性能之间的矛盾。